硅基已知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器的制作方法

本发明提出了硅基已知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。

背景技术：

信号的检测一直是信息科学技术中非常重要的一门技术，多年以来，人们对信号的检测和处理技术也在得到不断的发展与完善，经过不断的研究，可以确定一个信号的三大要素为频率、功率和相位，因此简单地说，对信号的检测也就是对信号这三大要素的检测。相位检测器是信号检测中最为重要的一部分，在军事、通信以及航空航天领域有着很大的应用价值，现有的相位检测器一般工作频率都较低，无法对很高频率的信号进行相位检测，而且它们的结构都较为复杂，集成度不高，随着信号频率的不断提高，毫米波信号的检测也日益成为人们研究的重点，毫米波是一种介于微波和远红外波交叠区域的电磁波，原有的相位检测器已经无法实现对毫米波信号的有效检测了。

为了能够实现对毫米波信号的有效检测，在共面波导传输线缝隙耦合结构、Wilkinson功分器、Wilkinson功合器以及直接式热电式功率传感器的研究基础上，本发明在高阻Si衬底上设计了一种在已知频率下的毫米波在线相位检测器，它利用共面波导传输线缝隙耦合结构对毫米波的相位实现了在线式的检测，大大地节约了版图，同时还提高了检测效率。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供一种硅基已知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器，本发明采用了共面波导传输线缝隙耦合结构来对毫米波进行相位检测，在功率分配和功率合成方面则采用了Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的结构，在合成信号的功率测量方面则采用了直接式热电式功率传感器，实现了毫米波的在线相位检测。

技术方案：本发明的硅基已知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器是由共面波导传输线、一号缝隙耦合结构、二号缝隙耦合结构、三号缝隙耦合结构、四号缝隙耦合结构、移相器、一个Wilkinson功分器、二个Wilkinson功合器以及四个间接式热电式功率传感器所构成，具体结构的连接关系如下：第一端口是信号输入端，一号缝隙耦合结构和二号缝隙耦合结构位于共面波导传输线上侧地线，三号缝隙耦合结构和四号缝隙耦合结构则位于共面波导传输线下侧地线，这两对缝隙关于中心信号线对称，它们之间由一个移相器隔开，一号缝隙耦合结构连接到第二端口，第二端口与一号间接式热电式功率传感器相连，同样的，二号缝隙耦合结构连接到第三端口，第三端口与二号间接式热电式功率传感器连接；再看相位检测模块，三号缝隙耦合结构与第四端口相连，第四端口连接到一号Wilkinson功合器，四号缝隙耦合结构与第五端口相连，第五端口连接到二号Wilkinson功合器，参考信号通过三号Wilkinson功分器的输入端输入，三号Wilkinson功分器的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和二号Wilkinson功合器，然后，一号Wilkinson功合器的输出端连接三号间接式热电式功率传感器，二号Wilkinson功合器的输出端连接四号间接式热电式功率传感器，第六端口处连接着后续处理电路。

对于相位检测模块，它主要由两个缝隙耦合结构、一段移相器、两个Wilkinson功合器、一个Wilkinson功分器以及两个直接式热电式功率传感器所构成，毫米波信号首先经过第一个缝隙耦合结构耦合出小部分的信号P₃，然后经过一段移相器之后再由另一个缝隙耦合结构耦合出部分的信号P₄，由于缝隙尺寸相同，所以P₃＝P₁、P₄＝P₂，这两个耦合信号的初始相位都为Φ，并且它们之间产生了一定的相位差实际上这段移相器就是一段共面波导传输线，它的长度设置为以中心频率f₀为35GHz处波长的1/4，此时相位差刚好是90°，在不同的频率f下，相位差是频率f的函数：

其中f为毫米波信号的频率，c为光速，ε_er为传输线的相对介电常数，ΔL为移相器的长度，对于已知的频率f，根据函数关系式就能得到相位差的大小。已知频率的参考信号P_c经过Wilkinson功分器分解成左右两路一模一样的信号，左边一路信号与第一个缝隙耦合信号进行功率合成，得到合成功率P_L，它是关于相位Φ的三角函数关系；而右边一路信号与第二个缝隙耦合信号进行功率合成，得到合成功率P_R，它是关于相位的三角函数关系；

结合这两个关系式，只要测得左右两路合成信号的功率大小，不仅可以得到相位Φ的大小，还可以得到相位的超前或滞后关系。

有益效果：在本发明中，这种简便的缝隙耦合结构能够将原本在共面波导传输线中传播的电磁场能量耦合出小部分，利用这耦合出的小信号来检测原毫米波信号的频率和相位大小，同时由于耦合出的信号能量非常小，因此几乎对原毫米波信号影响不大，原毫米波信号可以继续向后传播，实现了已知频率下毫米波信号的在线式相位检测，大大提高了信号检测器的效率和集成度，具有较高的潜在应用价值。

附图说明

图1为本发明的硅基已知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器的俯视图

图2为本发明的硅基已知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器中Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的俯视图

图3为本发明的硅基已知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器中直接式热电式功率传感器的俯视图

图4为本发明的硅基已知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器中直接式热电式功率传感器AA’方向的剖面图

图5为本发明的硅基已知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器中直接式热电式功率传感器BB’方向的剖面图

图中包括：相位检测模块1，共面波导传输线2，移相器3，缝隙耦合结构4-1，缝隙耦合结构4-2，缝隙耦合结构4-3，缝隙耦合结构4-4，隔离电阻5，金属臂6，P型半导体臂7，欧姆接触8，热端9，冷端10，隔直电容11，输出电极12，隔直电容下极板13，Si₃N₄介质层14，隔直电容上极板15，非对称共面带线16，空气桥17，高阻Si衬底18，SiO₂层19，衬底膜结构20，第一端口1-1，第二端口1-2，第三端口1-3，第四端口1-4，第五端口1-5，第六端口1-6。

具体实施方案

本发明的硅基已知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器是基于高阻Si衬底18制作的，是由共面波导传输线2、一号缝隙耦合结构4-1、二号缝隙耦合结构4-2、三号缝隙耦合结构4-3、四号缝隙耦合结构4-4、移相器3、一个Wilkinson功分器、二个Wilkinson功合器以及四个间接式热电式功率传感器所构成。

Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的结构是相同的，主要由共面波导传输线2、非对称共面带线16和电阻5构成，其中两条长度相同的非对称共面带线16能够将共面波导传输线2上的毫米波信号分为相等的两部分，而电阻5位于两条非对称共面带线16的末端。

采用直接式热电式功率传感器来实现热电转换，它主要由共面波导传输线2、金属臂6、P型半导体臂7以及一个隔直电容11构成，其中金属臂6和P型半导体臂7构成的两个热电偶是并联连接的，而共面波导传输线2直接与这两个热电偶的一端相连。

具体结构的连接关系如下：第一端口1-1是信号输入端，一号缝隙耦合结构4-1和二号缝隙耦合结构4-2位于共面波导传输线2上侧地线，三号缝隙耦合结构4-3和四号缝隙耦合结构4-4则位于共面波导传输线2下侧地线，这两对缝隙关于中心信号线对称，它们之间由一个移相器3隔开，一号缝隙耦合结构4-1连接到第二端口1-2，第二端口1-2与一号间接式热电式功率传感器相连，同样的，二号缝隙耦合结构4-2连接到第三端口1-3，第三端口1-3与二号间接式热电式功率传感器连接；再看相位检测模块1，三号缝隙耦合结构4-3与第四端口1-4相连，第四端口1-4连接到一号Wilkinson功合器，四号缝隙耦合结构4-4与第五端口1-5相连，第五端口1-5连接到二号Wilkinson功合器，参考信号通过三号Wilkinson功分器的输入端输入，三号Wilkinson功分器的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和二号Wilkinson功合器，然后，一号Wilkinson功合器的输出端连接三号间接式热电式功率传感器，二号Wilkinson功合器的输出端连接四号间接式热电式功率传感器，第六端口1-6处连接着后续处理电路。

本发明的硅基已知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器的制备方法为：

1)准备高阻Si衬底18(4000Ω·cm)，厚度为400um；

2)热氧化生长一层SiO₂层19，厚度为1.2um；

3)淀积一层多晶硅，P型离子注入(掺杂浓度为10¹⁵cm^-2)，以达到制作Wilkinson功分器的隔离电阻5和热电偶金属臂6的电阻率要求。

4)利用掩模版对要制作热电偶P型半导体臂7的地方再次进行P型离子注入，达到P型半导体臂7的电阻率要求；

5)涂覆光刻胶，对多晶硅层进行光刻，最终形成隔离电阻5、热电偶的金属臂6和半导体臂7；

6)在热电偶的金属臂6和半导体臂7连接处制作欧姆接触8；

7)在衬底上涂覆光刻胶，去除传输线、隔直电容11和输出电极12处的光刻胶，蒸发一层种子层Ti，厚度为然后制备第一层金，厚度为0.3um，通过剥离工艺去除保留的光刻胶，连带去除在光刻胶上面的金属层，初步形成传输线、隔直电容的下极板13和输出电极12；

8)在前面步骤处理得到的Si衬底上，通过PECVD生成一层厚的Si₃N₄介质层，光刻Si₃N₄介质层，仅保留要制作隔直电容11和空气桥17位置处的Si₃N₄介质层14；

9)淀积一层1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满所有凹坑；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留空气桥17下方的聚酰亚胺牺牲层；

10)涂覆光刻胶，去除预备制作传输线、隔直电容11、输出电极12以及空气桥17地方的光刻胶，蒸发一层种子层Ti，厚度为制备第二层金，厚度为2um，最后，去除保留的光刻胶，形成传输线、隔直电容的上极板15、输出电极12以及空气桥17；

11)在衬底的背面涂覆光刻胶，去除预备在衬底背面形成薄膜结构20地方的光刻胶，在热电偶中间区域即热端9下方刻蚀减薄Si衬底，形成衬底膜结构20，保留约为40μm厚的膜结构；

12)释放聚酰亚胺牺牲层，以去除空气桥17下方的聚酰亚胺牺牲层；最后，在去离子水中浸泡5分钟，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。

本发明的不同之处在于：

本发明采用了新颖的缝隙耦合结构，这种缝隙耦合结构能够将在共面波导传输线中传播的电磁场能量耦合出一部分，从而利用这耦合出的部分小信号来检测原毫米波信号的相位大小，从而实现了已知频率下的毫米波相位检测；功率分配器和功率合成器采用Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的结构来实现功率的平分或合成；至于对合成信号的检测，则采用直接式热电式功率传感器来实现热电转换。这些结构不仅简化了电路版图，降低了制作成本，而且大大提高了毫米波信号的检测效率，同时由于耦合出的信号能量和原信号相比非常小，因此几乎对原毫米波信号影响不大，原毫米波信号可以继续向后传播进行后续的电路处理。

满足以上条件的结构即视为本发明的硅基已知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器。